初咱磨子溝泥石流特征及危險性評價研究

王高峰，唐 川，王洪德，高幼龍

（1.中國地質調查局 水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定071051；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都610059）

泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種常見的地質災害現(xiàn)象，具有極強的破壞性，每年造成的人員傷亡和經濟損失都很大[1]。近些年來，人類為滿足自身的需求而不斷向自然界索取資源，使得山區(qū)原本就較為脆弱的生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，導致泥石流發(fā)生的頻率越來越高、成災越來越嚴重，泥石流一旦成災，會進一步破壞區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡，同時加劇水土流失及荒漠化進程，嚴重阻礙山區(qū)經濟的發(fā)展和生態(tài)建設。

初咱磨子溝位于四川省康定縣巴底舍聯(lián)鄉(xiāng)境內，大渡河左岸，距離上游擬建長河壩壩址約8km。據當?shù)鼐用窠榻B，初咱磨子溝曾發(fā)生過大的泥石流災害，并造成大渡河局部堵江。根據現(xiàn)場調查，經過數(shù)次泥石流災害，大渡河受到一定程度的擠壓并向右岸偏移。由于該泥石流溝出口堆積扇平臺作為長河壩電站主體工程的臨時移民安置區(qū)和施工人員臨時營地，如果初咱磨子溝再次發(fā)生大型泥石流，勢必對當?shù)鼐用窦捌浜罄m(xù)施工人員的生命財產、交通安全構成一定的威脅。

因此，預測及評價該泥石流溝的發(fā)展趨勢及危險性對合理制定必要的泥石流防治措施，確保長河壩順利施工具有重要意義。本研究在分析泥石流發(fā)育特征及泥石流形成條件的基礎上，對該泥石流動力學特征進行分析計算，并評價泥石流的危險性，提出相應的防治措施。

1 初咱磨子溝自然地質條件

1.1 地形地貌

初咱磨子溝溝道兩岸地形陡峻，屬典型的高山峽谷地貌，流域內山體坡度大、高差懸殊、山體破碎、土質松軟，溝谷為深切的“V”型河谷，下游溝谷窄而陡，跌坎較發(fā)育，跌水現(xiàn)象明顯。流域內最高海拔高程約4 180m，在海拔1 435m處匯入大渡河，流域高差達2 745m，流域面積約16.95km2，主溝長約7 890m。沿溝有5條支溝，與主溝交匯處地勢寬闊、較平坦，有利于匯水。泥石流溝形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)溝床比降分別為：398.1‰，216.2‰，135.1‰，總體平均比降為307.4‰，從而構成了泥石流形成的地形條件（圖1）。初咱磨子溝溝谷上游兩側坡面陡峭、中下游坡度多在30°左右，坡體的固體物質容易匯集于溝道內，風化的松散碎屑物易于積累，斜坡上的松散殘積物多處于極限平衡狀態(tài)，一遇暴雨激發(fā)，便形成泥石流。同時在該地形條件下坡面水流容易迅速下泄集中于溝道內，為泥沙啟動提供了良好的動力條件。

圖1 初咱磨子溝泥石流流域簡圖

1.2 地質構造與地層巖性

初咱磨子溝位于昌昌斷裂的東側，緊鄰西側的紅鋒斷裂，發(fā)育的次級構造以小規(guī)模斷層破碎帶和小型擠壓錯動帶、巖脈、節(jié)理裂隙為主。流域內出露地層元古界前震旦系石門坎組（Pts）變質流紋巖、變質石英砂巖夾千枚巖和震旦系上統(tǒng)（Zb）中厚層狀白云巖、結晶灰?guī)r、千枚巖、花崗巖、閃長巖。巖體較堅硬完整，但由于本區(qū)地層經受了多次的構造活動改造，節(jié)理裂隙發(fā)育，風化卸荷作用強烈，加之該溝山高坡陡，使溝道兩岸滑坡、崩塌較發(fā)育，為泥石流的形成提供了較多的物源基礎。

通過野外實地勘察，結合對流域范圍內0.5m分辨率遙感影像對該流域內的物源分為滑坡體、崩坡積體和溝床堆積物3種類型進行解譯，結果見表1。流域內大部分物源集中分布在形成區(qū)，占總物源量的69%，在形成區(qū)溝道的右側主要以崩坡積物物源為主，面積為0.89～18.98萬 m2，厚度2.8～4.3m；左側主要以滑坡堆積物源為主，面積2.58～4.87萬m2，平均厚度為6.7m。流通區(qū)主要以小型崩坡積物物源及溝道堆積物為主（圖1）。在雨水沖刷下，極易將松散物質帶入主溝溝道內，成為泥石流物源。

表1 初咱磨子溝泥石流物源統(tǒng)計

1.3 氣象條件

降水是泥石流發(fā)生的主要誘發(fā)和動力因素，一方面降水浸泡坡腳松散物質，使得坡面的表層土體失穩(wěn)，易產生滑坡、崩塌；另一方面降水沖刷溝道兩岸的松散堆積體，使得溝道兩岸的松散固體物質不斷進入溝道，增加了固體物質的來源[1－2]。根據當?shù)貧庀蟛块T提供的（1961—2002年）降水資料分析，平均年降雨量在642.9mm，該區(qū)域降雨量年內分配不均勻，多集中在5—9月，占全年降水量的85%以上，平均年最大日降水量在65.9～72.3mm之間。據譚炳炎[3]研究，四川省24h，1h，10min可能發(fā)生泥石流的雨量臨界值分別為60，20，10mm。按照此標準，該溝已具備泥石流發(fā)生對雨量的基本要求。另外流域地處高山地區(qū)，在降水量集中的時間，也是冰川溫度最高的季節(jié)，冰川內部冷儲隨之減小，使得冰川內部凍結能力減小、消融較快，冰川含水量增大、運動加快，也為泥石流的形成提供了部分水源。

1.4 植被及人類活動

初咱磨子溝流域內植被總體上較發(fā)育，2 600m高程以上寒凍風化一帶植被發(fā)育相對較差，人類工程活動以耕地、放牧為主，且集中在區(qū)域下游，中上游區(qū)域幾乎無人類活動。

2 初咱磨子溝泥石流發(fā)育特征

初咱磨子溝泥石流的分區(qū)特征明顯，主要可分為形成區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)（圖2）。

（1）形成區(qū)。主要指主溝溝道高程2 200m以上的區(qū)域，溝長4.17km，集水面積約9.72km2，約占整個流域面積的57%。受高海拔氣候影響，該區(qū)域物理風化作用較強烈，基巖大面積裸露，植被不發(fā)育。受巖性和構造控制和影響，基巖中節(jié)理、裂隙發(fā)育，溝道侵蝕作用強烈，溝道后緣坡面上多形成深切沖溝。巖體在物理、凍融風化作用下極易產生崩塌、剝蝕，形成松散物質堆積在坡面較緩處。這些物質在雨水沖刷下，沿沖溝而下，將其帶入主溝溝道內，成為泥石流物源。主支溝交匯處附近，主溝溝道相對較開闊，溝道坡降相對較平緩，僅為151.2‰。非強降雨條件下，主、支溝內上游經洪水攜帶處的松散物質多在此處堆積，因此該處溝道堆積物源比較豐富。

圖2 初咱磨子溝泥石流剖面簡圖

（2）流通區(qū)。流通區(qū)溝谷以“V”形為主，溝谷狹窄，谷寬一般為7～16m，溝道曲折多拐，溝谷內常年有流水。溝床谷坡中下部坡度較陡，植被較發(fā)育，多為淺草、雜灌類，部分區(qū)段有基巖出露，谷坡上部相對較緩，坡度15°～30°，表層覆蓋第四系殘坡積體，厚度較大，結構為中密～密實狀，穩(wěn)定性好。流通區(qū)明顯分為兩個區(qū)段，高程1 900～2 220m為流通區(qū)上段，溝道走向除了在高程2 060m處略向西北偏轉外，整體相對較順直；上段縱坡降相對較小，均坡降僅為131.5‰，遠小于形成區(qū)整體坡降，從地形坡度看，一般情況下該段的加速功能不明顯。由于溝谷狹窄、順直，在強降雨條件下，沿途眾多小支溝、沖溝能夠迅速將雨水匯集至溝道中，補充的強大的水動力，大大增強了泥石流的攜帶能力，為搬運大粒徑孤石奠定基礎。溝底高程1 500～1 900m為流通區(qū)下段，該段溝道曲折，幾成“Z”字形，平均坡降約418.4‰，且溝谷狹窄，最窄處不足4m，沿途跌坎發(fā)育，且較陡直，最高跌坎高度達15m左右。由于此處溝道曲折多拐，在泥石流暴發(fā)運動過程中，一旦巨石卡口，導致泥石流堵塞，將積聚巨大的能量，其潰決后，將向下游攜帶更多的物質。這是導致初咱磨子溝泥石流呈黏性、陣發(fā)性流量較大的重要原因。

（3）堆積區(qū)。堆積區(qū)總體呈扇狀，長約480m，面積約0.19km2，平均坡降為135.1‰，地勢較為平坦，初咱磨子村座落在溝口堆積扇上。村民多居住在沿扇體中前部溝道右岸修建的房屋中，左岸僅有幾戶人家。目前僅在扇體右側邊緣及溝道內有少量喬灌類植物生長，堆積扇表面多被當?shù)鼐用駢楦?。據當?shù)卮迕窠榻B，1988年泥石流發(fā)生時，沖出了許多粒徑1～2m大塊石，造成大渡河局部堵塞，因為初咱磨子溝口正處于大渡河急彎凹岸部位，遭受河水沖刷作用較為強烈，當時的泥石流堆積物質幾被河水沖刷殆盡，現(xiàn)已很難見巨粒塊石，僅在扇體前緣可見少量塊碎石堆積。塊碎石成分主要為花崗巖、閃長巖，一般呈棱角狀或次棱角狀，粒徑以6～20cm居多。堆積區(qū)溝道寬26m，深6m，據老鄉(xiāng)介紹，1988年泥石流發(fā)生之前，堆積區(qū)溝道僅1m寬左右，1988年泥石流發(fā)生時，溝道兩側巖土體被泥石流沖刷、攜裹至大渡河內，遂形成現(xiàn)在寬達26m的溝道。

3 初咱磨子溝泥石流力學特征

3.1 泥石流容重

由于沒有直接測得天然泥石流容重，故只能采用經驗法來確定。即通過訪問當?shù)鼐用?，較客觀地采用現(xiàn)場水土比進行試驗，得出的水土比例為5.5∶4.5，按下式計算泥石流容重：

式中：γc——泥石流容重（t／m3）；γs——固體物質密度（取2.65t／m3）；f——泥石流體中固體物質體積和水的體積之比。計算得泥石流容重為1.90t／m3，為粘性泥石流。

3.2 泥石流流速

泥石流的流速是泥石流重要的動力學參數(shù)之一。它不僅反映了泥石流的強度、規(guī)模和流體性質，而且決定著防治泥石流工程建筑物的類型、結構和尺寸。目前所采用的各種計算式大多是經驗性的，使用時要結合地區(qū)特點綜合考慮。本文采用周必凡等[4]提供的通用流速的計算公式：

式中：VC——泥石流流速（m／s）；nc——粘性泥石流流速溝床粗糙率（查表獲得1／ns取15）；R——水力半徑（m）；I——泥石流水力坡度（‰）。根據式（2）計算，初咱磨子溝泥石流的流速為7.85m／s。

3.3 泥石流流量

根據初咱磨子溝氣象特征，采用雨洪法計算其流量，假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生，先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量，然后選用堵塞系數(shù)，按下式計算泥石流流量[4－5]：

式中：QC——頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3／s）；QP——頻率 為P的 暴 雨 洪 水 設 計 流 量 （m3／s）；φ——泥石流泥沙修正系數(shù)，φ＝（γC－γW）／（γH－γC）；γC——泥石流容重（t／m3）；γW——清水的重度（t／m3），為1.0的固體物質重度；γH——泥石流中因體物質重度（t／m3）；DC——泥石流堵塞系數(shù)。按照雨洪法，利用泥石流流量公式計算所得的泥石流最大流量如表2所示。

表2 初咱磨子溝泥石流最大流量計算結果

3.4 一次泥石流過程總量

一次泥石流總量Q可通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但因往往不具備測量條件，只是一個粗略的估算。計算法根據泥石流歷時T（s）和最大流量QC（m3／s），按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五角形，按下式計算[6]：

一次泥石流沖出的固體物質總量QH（m3）

根據公式（5），在計算頻率為20a一遇的情況下，初咱磨子溝一次泥石流沖出的最大固體物質總量為11 843m3；在計算頻率為50a一遇的情況下，一次泥石流沖出的最大固體物質總量為21 452m3。

4 初咱磨子溝泥石流危險度評價

泥石流危險度的評價方法很多，本文采用單溝泥石流危險度評價方法[7－9]。單溝泥石流危險度評價涉及到多個因素的綜合，供選取的指標較多，而且眾多指標中有很多重復內容，若選取帶有重復內容的因子參與評價，各指標間無被過濾的信息，會使評價結果與實際情況差距很大。本文根據朱靜[7]等選取的泥石流危險度評價因子及鐵永波等[9]根據層次分析法在單溝泥石流危險度評價中的應用所選取的14個二級指標為依據，同時根據該溝的實際調查情況及資料分析，對個別危險度評價因子的賦值進行調整，然后對初咱磨子溝進行危險度評價。在這14個評價因子中：一次泥石流最大出量（C10）與主溝平均比降（C5）為主要危險因子，泥沙補給段長度（C1）、流域面積（C2）、主溝長度（C3）、流域相對高差（C4）、流域切割密度（C6）、松散固體物資儲量（C7）、主溝彎曲系數(shù)（C8）、形成區(qū)山坡平均坡度（C9）、泥石流暴發(fā)的頻率（C11）、最大24h降雨量（C12）、植被覆蓋率（C13）、人口密度（C14）等共12項為次要因子。泥石流溝的危險度計算步驟為：首先通過權重用層次分析法對14個評價因子進行賦值（表3）；然后在評價過程中，將各個指標按照一定的標準進行打分賦值（表4）；最后將各個指標的賦值和相應的權重（Wci）相乘既可求出泥石流危險度值（R）。

泥石流危險度評價的模型為：

式中：R——泥石流危險度值；Bi——各評價因子的定量賦值；Wci——各評價因子的權重。

結合對該溝的現(xiàn)場調查計算得出泥石流14個危險因子指標值（表5），根據式（6）計算得出初咱磨子溝泥石流的危險度R為65.75，按照危險度分級標準：泥石流危險度低（R＜30）、泥石流危險度中等（30＜R＜65）、泥石流危險度高（65＜R＜130）、泥石流危險度極高（R＞130），可知初咱磨子溝屬于高度危險的泥石流溝，與實地調查初咱磨子溝泥石流的定性結果吻合。

表3 泥石流危險度評價因子的權重系數(shù)

5 結論與防治建議

初咱磨子溝泥石流為多期爆發(fā)的老泥石流溝，其類型為粘性泥石流。根據其流域特點及地層巖性、地質構造、氣象條件等形成條件和動力學參數(shù)計算分析，得出該溝仍具有再次爆發(fā)泥石流的可能性較大，易發(fā)程度極高，基于層次分析法的泥石流危險度評價原則計算結果表明，初咱磨子溝泥石流為一高度危險的泥石流溝。為確保下游人民群眾的生命財產安全及長河壩建設順利施工運營，建議對該泥石流溝實行以治為主，以防為輔的防治對策，實施生物和土建工程綜合治理既可基本上抑制區(qū)域內泥石流災害的發(fā)生，同時加強防治工程的檢查監(jiān)督和泥石流發(fā)展趨勢的監(jiān)測預報。建議采取以下防治與預防措施。

表4 泥石流危險度評價因子及賦值

（1）在泥石流形成區(qū)內禁止砍伐森林，保護生態(tài)植被，防治水土流失，以達到固坡作用，減少泥石流松散物質的補給量。

（2）由于受地形因素影響，初咱磨子溝流通區(qū)不具有修建攔擋工程的良好條件，所以建議初咱磨子溝泥石流防治措施以排導為主。

（3）堆積區(qū)現(xiàn)有溝道深切且偏向河流下游，較適宜泥石流的排導。建議對現(xiàn)有溝道加以取直改造，以滿足對泥石流的排導要求。堆積區(qū)溝道左岸扇體地勢相對較低，一旦泥石流暴發(fā)，且流量過大時則有可能從排導槽溢出泛濫成災。此外，堆積區(qū)位于主河道凹岸，洪水季節(jié)對扇體前緣沖刷、掏蝕作用強烈，建議沿溝道左岸修建一條單邊導流堤，兼具導流、護堤功能。

（4）加強監(jiān)測和天氣預報工作，及時準確地做好災前預報和預警。

表5 泥石流危險度評價因子參數(shù)

[1]鐵永波，唐川，蘇小琴.四川省九龍縣石頭溝泥石流動力學特征及其危險性評價研究[J].水土保持研究，2008，15（5）：168－170.

[2]王啟亮，呂義清，員孟超.虎峪溝泥石流特征及其危險度評價[J].水土保持通報，2010，30（6）：219－222.

[3]譚炳炎，揚大文，石勝國.暴雨泥石流預報的研究[J].鐵道學報，1992，9（14）：92－101.

[4]周必凡，李德基，羅德福，等.泥石流防治指南[M].北京：科學出版社，1991：80－90.

[5]四川省水利廳.四川省中小流域暴雨洪水計算手冊[M].成都：四川省水利廳，1984.

[6]中華人民共和國國土資源部.泥石流災害防治工程勘查規(guī)范[S]（DZ／T0220—2006），2006.

[7]劉希林，唐川.泥石流危險性評價[M].北京：科學出版社，1995.

[8]朱靜，周矩乾.泥石流溝判釋與危險度綜合評價研究[C]∥云南省滑坡泥石流重點區(qū)域預測預報與評價方法研究.昆明：云南科技出版社，1995.

[9]鐵永波，唐川.層次分析法在單溝泥石流危險度評價中的應用[J].中國地質災害與防治學報，2006，17（4）：79－84.